选区发射在硅基纳米线阵列太阳电池中的应用

中国科学院微电子研究所 ■ 陈晨 贾锐 李昊峰 金智 刘新宇

一 引言

硅基纳米线阵列太阳电池是下一代新型高效太阳电池结构之一，作为国际光伏领域的研究前沿，得到了广泛关注[1～3]。硅基纳米线阵列太阳电池具有超低的表面反射率，能极大地提高传统晶体硅太阳电池的光吸收特性，并且其具有一维载流子输运特性，具备了未来高效晶体硅太阳电池的潜在特点。因此，纳米线阵列可取代传统电池结构中的金字塔结构形成纳米线阵列太阳电池。

目前，关于硅基纳米线阵列太阳电池结构可根据p-n位置分为三类：硅纳米线阵列绒面晶体硅太阳电池、径向p-n结纳米线阵列太阳电池和轴向p-n结纳米线阵列太阳电池。在纳米线阵列的制备方面，Ag无电催化腐蚀法能够在硅衬底表面制备出表面反射率小于2%的硅纳米线阵列。然而，直至目前基于无电化学腐蚀法制备的纳米线阵列太阳电池的最终转换效率仍然不高。基于之前的研究认为：由于纳米线阵列电池的电极接触面积较小，导致电极接触特性恶化是转化换效率难以提高的主要原因之一。这也成为纳米线阵列太阳电池的研究重点之一。然而遗憾的是此类电池的电极接触特性的研究还很少，因此，本文针对此开展了改善纳米线阵列太阳电池的电极接触特性的研究工作。

二 实验

硅纳米线阵列太阳电池的结构示意图如图1所示。试验采用了基于特殊扩散工艺在硅纳米线阵列的顶部形成了高掺杂区(图1a)。对照样品的常规纳米线阵列太阳电池结构图如图1b所示。通过扩散和湿法腐蚀形成了硅纳米线阵列结构。随后，通过特殊工艺过程使得纳米线阵列转变成n型，并在纳米线阵列的下面形成p-n结。经PECVD生长的SiNx，通过丝网印刷形成背面Al层和前表面Ag电极。最后通过共烧结形成Al背场(BSF)和前电极的欧姆接触。

三 结果和讨论

串联电阻是衡量电池的电极和半导体接触特性好坏的重要参数。对电池的最终特性而言，串联电阻的降低可显著提高短路电流。如图2所示，硅基纳米线阵列太阳电池中，顶部高掺杂的纳米线阵列电池的串联电阻(6～8½)明显低于有氮化硅钝化后没有掺杂的硅纳米线阵列电池的串联电阻(10～12½)。金属和半导体的接触电阻可表示为：

由式(1)可知，串联电阻和半导体一侧的掺杂浓度成反比。当增大掺杂浓度时，串联电阻将降低。因此，当硅纳米线阵列顶部的掺杂浓度增大，使得其接触特性明显改善，电池的串联电阻明显降低。对于硅基纳米线阵列太阳电池，特殊扩散法能有效地降低电池的串联电阻明显降低，改善电池的最终特性。

为了表征特殊扩散法对电极接触特性改善的影响，对照样品和特殊扩散选择性发射区的硅纳米线阵列太阳电池的光伏特性进行了测试。在同样的氮化硅钝化的情况下，特殊扩散形成的选择性发射极纳米线阵列电池的短路电流明显提高。如图3所示，从原来的21.9～27.2mA/cm2提高到28.9～33.3mA/cm2。考虑到串联电阻的浮动，可推断出随着串联电阻的降低，短路电流明显增加。根据半导体能带理论：当半导体一侧的掺杂浓度提高时，存在在金属和半导体一侧的势垒将随即变薄，导致载流子的隧道击穿几率增加，最终通过隧道穿越势垒的载流子数目随即增加，从而提高短路电流。

纳米线阵列太阳电池光照下的I-V特性曲线如图4所示。由图4可知，特殊扩散选区发射纳米线阵列电池的短路电流提高了40.2%，这一提高归因于特殊扩散使得半导体一侧的掺杂浓度增大，最终的电极接触特性明显改善。因此，在单根纳米线阵列顶部实施高掺杂能有效降低欧姆接触的电阻率，从而有效地改善接触特性。

四 结论

基于以上研究，纳米线阵列太阳电池的串联电阻能有效降低，为进一步探究提高硅基纳米线阵列太阳电池的电极接触特性的方法提供了很好的参考。我们尝试了采用特殊扩散的选区发射形成高掺杂的硅基纳米线阵列，从而有效地提高了电池的接触特性。串联电阻可有效降低，使得短路电流明显提高。通过提高电池串联电阻能有效提高电池的短路电流，对最终电池的效率有一定的改进。

[1] Tian B Z, Zheng X L, Kempa T J, et al.Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources[J].Nature, 2007, 449(7164): 885－889.

[2] Tsakalakos L,Balch J, Fronheiser J, et al.Silicon nanowire solar cells[J].Applied Physics Letters, 2007, 91(23): 233117－233117-3.

[3] Chen C, Jia R, Yue H H, et al.Silicon nanowire-array-textured solar cells for photovoltaic application[J].Journal of Applied Physics,2010, 108(9): 094318－094323.